선박용 고전압 회전기기의 절연시스템 신뢰성 시험항목 및 시험방법에 대한 연구 :A Study on Reliability Test Items and Test Methodology of High-Voltage Rotating Machine Insulation System for Ships

김현철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김현철 (한국해양대학교, 한국해양대학교 대학원)

지도교수: 김종수

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

선박용 고전압 회전기기의 절연시스템 신뢰성 시험항목 및 시험방법에 대한 연구

김현철 기관시스템공학과 2023.01 학위논문

2017

고전압 회전기기 수명평가 시험 국제동향

김현철 , 김태오 , 강규홍 해양환경안전학회 학술발표대회 논문집 2017.01 학술대회자료

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기존 회전기기 절연시스템 신뢰성 연구는 주로 육상에서 가동중인 발전소의 발전기 및 전동기에 대한 진단 및 수명예측에 대한 내용이 주를 이루었다. 하지만 선박용 회전기기의 상용 정격전압 상승과 더불어 절연시스템과 관련된 사고가 빈번하게 발생되고 있으며, 이와 같은 선박에서의 사고가 발생하는 경우에 고장수리 및 기기 교체에 많은 어려움이 있고 이는 선박의 안전운항과도 직결되는 중요한 부분이므로 선박용 고전압 회전기기의 신뢰성 향상에 대한 요구가 증대되고 있다.

이에 국제 선급에서는 선박용 고전압 회전기기의 절연시스템의 신뢰성을 확인할 수 있는 시험을 요구하기 시작하였고, 그 중 처음으로 영국선급(Lloyd’s Register)에서 Rule proposal No.2015/EL01 (Rules and regulations for the classification of ships, 2016)에 의거하여 2016년 7월 이후 계약된 발전기 및 전동기에 대한 선급 인증을 위해서는 국제기준 (IEC 60034-18-31, IEC 60034-18-32, IEC 60034-18-33, IEC 60034-18-34)에 따른 회전기기 절연시스템 절연열화 신뢰성 결과를 제시할 것을 공표하였다.
기존에는 선박용 회전기기를 초기 납품 시 초기 진단·품질시험만 수행한 후 선박에 탑재하였고, 회전기기 절연시스템의 신뢰성을 확인하기 위한 수명시험은 수행되지 않았다. 최근 고전압 회전기기의 고전압화, 대용량화는 계속적으로 진행되고 있고, 신뢰성에 대한 선급들의 기준이 점차 강제화되고 있는 상황이지만 이를 시험하기 위한 시험장비를 갖춘 시험기관이 현재 없으며 또한, 시험방법 개발도 매우 시급한 상황이다.

이에 본 논문에서는 고전압 회전기기 신뢰성 기준인 IEEE의 IEEE 275, 434, 1043, 1310, IEC의 IEC 60034-18-31, 32, 33, 34의 시험항목, 시험방법을 분석하여, 기존 전무하던 선박용 고전압 회전기기의 신뢰성을 분석하기 위한 시험방법 및 판정 기준을 제안하였다. 시험방법은 열적열화에 따른 신뢰성 시험방법, 전기적열화에 따른 시험방법, 복합열화에 따른 시험방법, 열기계적열화에 따른 시험방법으로 크게 4가지로 구분하였으며, 본 시험방법은 각 열화인자에 대한 개별적인 신뢰성을 확인할 수 있고, 전반적인 절연시스템에 영향을 주는 모든 열화 요인에 대해 검증이 가능하다. 또한 제안한 시험방법으로 약 1년여 간에 걸친 장기간의 시험을 통해 본 시험방법이 선박의 회전기기의 신뢰성을 검증할 수 있는 방안인지 확인하였다.

제안하는 신뢰성 시험방법은 가장 먼저 선박용 고전압 회전기기의 신뢰성 시험을 강제화한 영국선급으로부터 회전기기의 신뢰성 시험방법으로서 검토 및 승인을 받았으며, 선박용 고전압 회전기기의 신뢰성 확인을 위한 방법으로서 매우 가치가 높다고 판단한다.

Research on the reliability of existing insulation systems for rotating machinery has primarily focused on diagnosing and predicting the lifespan of generators and motors in various onshore power plants. However, with the increasing commercial rated voltage of marine rotating machinery, there has been a growing demand for improved reliability of insulation systems in marine applications due to the frequent occurrence of accidents and the associated difficulties in repair and replacement.
As a response, several international classification societies have started to require tests that can assess the reliability of insulation systems for marine high voltage rotating machinery. In particular, Lloyd''s Register, announced in Rule proposal No.2015/EL01 (Rules and regulations for the classification of ships, 2016) that for classification certification of generators and motors contracted after July 2016, the results of insulation system insulation degradation testing in accordance with international standards (IEC 60034-18-31, IEC 60034-18-32, IEC 60034-18-33, IEC 60034-18-34) must be provided.
However, currently there are no testing methodology or criteria available for analyzing the reliability of marine high voltage rotating machinery. Additionally, there is a lack of testing equipment and testing organizations dedicated to conducting such tests.
In this doctoral dissertation, I propose testing methodology and evaluation criteria for analyzing the reliability of high voltage rotating machinery for ships by analyzing the methodology of IEEE standards (IEEE 275, 434, 1043, 1310) and IEC standards (IEC 60034-18-31, 32, 33, 34).
The proposed testing methods are divided into four categories: reliability testing methods based on thermal degradation testing methods, electrical degradation testing methods, multifactor degradation testing methods, and thermomechanical degradation testing methods. These testing methods allow for the verification of individual reliabilities for each degradation factor and enable validation of all degradation factors that affect the overall insulation system. Furthermore, through long-term testing spanning approximately one year, I have confirmed that the proposed testing methodology are effective in assessing the reliability of ship''s rotating machinery.
To validate the effectiveness of these testing methodology, I first received review and approval from Lloyd''s Register, which enforced the reliability testing of marine high voltage rotating machinery. I believe that these testing methodology are of great value as reference data for confirming the reliability of future marine high voltage rotating machinery.

#고전압 #회전기기 #절연 시스템 #신뢰성 분석 #시험방법론 #평가기준

제1장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구내용 4
1.3 논문의 구성 6
제2장 고전압 절연시스템의 정의, 시험항목 및 시험방법 7
2.1 절연시스템 7
2.1.1 절연재료의 발전 과정 7
2.1.2 절연시스템 제작 과정 11
2.2 절연열화 메커니즘 12
2.2.1 열적 열화 12
2.2.2 전기적 열화 14
2.2.3 기계적 열화 14
2.2.4 환경적 열화 15
2.2.5 복합 열화 15
2.3 절연파괴 메커니즘 18
2.3.1 열적 응력 18
2.3.2 반복적인 운전 사이클 18
2.3.3 권선 이완 19
2.3.4 슬롯 방전 20
2.3.5 부적절한 함침 20
2.3.6 단말권선에서의 오염 20
2.3.7 권선사이의 부적합한 공간 21
2.3.8 반도전과 그레이딩 코팅 경계의 열화 21
2.3.9 절연파괴 경로 21
2.4 절연진단 시험항목, 시험방법 23
2.4.1 절연저항 시험 23
2.4.2 직류전류 시험 23
2.4.3 교류전류 시험 24
2.4.4 유전정접 시험 26
2.4.5 부분방전 시험 29
제3장 기존의 고전압 절연시스템 신뢰성 기준 시험항목 및 시험방법 31
3.1 IEEE 절연시스템 신뢰성 기준 31
3.2 IEEE 절연시스템 신뢰성 기준 주요 시험항목 및 시험방법 32
3.3 IEC 절연시스템 신뢰성 기준 35
3.4 IEC 절연시스템 신뢰성 기준 주요 시험항목 및 시험방법 36
3.5 IEEE와 IEC의 시험항목, 시험방법 비교 분석 40
제4장 제안하는 고전압 회전기기 절연시스템 신뢰성 시험 46
4.1 고전압 회전기기 절연시스템 신뢰성 시험의 기본 흐름 46
4.2 열적열화에 따른 신뢰성 시험 49
4.2.1 시험방법 및 시험구성도 51
4.2.2 신뢰성 판정기준 56
4.3 전기적열화에 따른 신뢰성 시험 57
4.3.1 시험방법 및 시험구성도 59
4.3.2 신뢰성 판정기준 63
4.4 복합열화에 따른 신뢰성 시험 64
4.4.1 시험방법 및 시험구성도 66
4.4.2 신뢰성 판정기준 71
4.5 열기계적열화에 따른 신뢰성 시험 72
4.5.1 시험방법 및 시험구성도 74
4.5.2 신뢰성 판정기준 81
제5장 제안하는 고전압 회전기기 절연시스템 신뢰성 시험항목 및 시험방법을 적용한 시험결과 검토 82
5.1 사용 시료 82
5.1.1 열적열화 및 복합열화 83
5.1.2 전기적열화 및 열기계적열화 83
5.2 시험장비 85
5.2.1 컨디셔닝 85
5.2.2 절연진단 86
5.2.3 에이징 87
5.3 시험결과 검토 및 분석 89
5.3.1 열적열화 89
5.3.2 전기적열화 91
5.3.3 복합열화 93
5.3.4 열기계적열화 95
5.3.5 시험 전·후 시료 및 파괴시료의 비교분석 97
제6장 결 론 99
부록1 IEEE 기준 절연시스템 신뢰성 시험항목 및 시험방법 100
부록2 IEC 기준 절연시스템 신뢰성 시험항목 및 시험방법 110
참고문헌 125

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